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编者注：本文最初发表于1969年10月刊的《大众科学》杂志。我们发布这篇文章是为了纪念“阿波罗11号”登月40周年。
“阿波罗11号”任务成功地将人类送上月球并安全带回月球物质样本，标志着人类和机器对月球进行富有成效的探索时期即将开始。目标是回答大量关于月球的起源和演变、地质、化学和物理结构，以及它的历史如何揭示太阳系中其他天体历史的问题。我们在本文中的目的是讨论即将到来的载人月球探险队将要解决的主要问题，并描述这些任务中可能采用的技术。
从天文学意义上来说，月球通常被认为是地球的卫星。然而，从行星过程的角度来看，月球可以被视为“类地”行星（其他行星是地球、火星、金星和水星）中最小的。由于月球与太阳的距离与地球的距离大致相等，因此月球受到的外部影响与地球相似。然而，月球的体积较小意味着其历史与地球的历史截然不同。
大多数行星尺度的过程都来自内部能量源及其消散方式。内部能量的大小和消散方式取决于行星的大小。在地球上，能量的消散伴随着火山流体从地球内部向地表输送、长期形成轻地壳和致密地核，以及地壳、地幔和地核的大规模运动。这些过程，加上侵蚀以及地表物质与大气和水圈的化学相互作用，不断破坏着地球的地表特征。例如，即使是最大的火山，在火山活动停止后数百万年内也会被侵蚀夷平。地球原始地表特征仍然保持不变的可能性极小。没有已知的例子，几乎可以肯定也不会找到任何例子。
人们曾经认为月球的许多地表特征可以追溯到月球的形成时期。来自月球轨道器航天器的照片提供的月球表面详细视图在一定程度上减少了这种可能性，因为它们表明侵蚀和其他变化过程确实发生在月球上。“阿波罗11号”返回的样本的初步分析表明，该材料非常古老，可能已有30亿年之久。高地可能更古老。自行星形成以来，月球表面的一些物质在化学上没有发生变化的可能性仍然很高。
主要问题
关于月球的基本科学问题通常以地球的特征来表述，当然，这些特征更为熟悉。例如，在询问月球的总体化学和物理结构时，人们想知道月球是否像地球一样在化学和矿物学上是分化的。诸如火山活动之类的过程是否在月球上发生过，它们在很长一段时间内的历史是怎样的？月球是否曾经拥有大气层？在月球上是否曾经存在或进化过原始生物材料？
回答这些问题需要从月球上的各种区域回收和分析月球物质样本。大多数分析将必须在地球上进行。确定月球物质样本的年龄或对其进行化学和矿物学分析需要仪器，这些仪器在未来几年内无法部署在月球表面，尤其是在对要分析的材料的特性几乎一无所知的情况下。
对返回的月球材料的研究实际上将提供自然科学家有史以来面临的最有趣的挑战之一。在从少数孤立的月球物质样本中，在通过照片获得的相当详细的表面形态知识的帮助下，可以了解多少月球历史和多少月球表面过程？可能性是相当大的，因为月球表面不受地球表面发生的许多化学过程的影响，例如伴随侵蚀和沉积的变化。此外，陨石撞击将物质分布在月球表面，这表明任何给定位置的大量物质可能来自很远的距离，而化学成分没有发生显着变化。
为了追踪月球的演化、了解其整体内部结构并解释其主要形态特征的特征，需要了解月震释放的内部能量的种类和数量、表面的热流以及火山活动。月震的发生将揭示应力随深度的分布情况。月震产生的地震波将为推断基本物理性质随深度的分布提供强大的工具。测量表面的热流，再加上对月球岩石中放射性元素分布的估计，将有可能确定内部能量是否实际上是月球火山活动的成因。要解决这些问题，需要来自月球上许多广泛分布的地点的数据。
质量瘤问题
在月球轨道器任务中使用的航天器不仅拍摄了月球表面的精美照片，而且还对月球的引力场做出了惊人的发现。如果月球是一个对称的椭球体，无论是在内部还是外部，一颗卫星都将以平稳变化的速度在其周围以明确的椭圆轨道运行。实际上，月球和地球一样，并不是一个完全对称的椭球体，这会在卫星轨道中引入扰动。然而，除了这些扰动之外，还有一些扰动是由月球密度横向变化引起的。当月球轨道器航天器在轨道上被跟踪时，人们注意到当它们经过月球的环形月海或深色圆形“海洋”时，它们的速度会加快。喷气推进实验室的保罗·M·穆勒和威廉·L·肖格伦对这些运动的分析得出结论，在主要的圆形月海（雨海、宁静海、危海、湿海和酒海）上方，存在大量过量的重力。
这些引力变化的原因是什么？与月海相关的大正异常意味着质量集中，现在缩写为“质量瘤”。所涉及的浓度的一个例子是估计雨海上方的引力异常相当于一个直径为 70 公里、中心深度为 50 公里的镍铁球产生的引力异常。
月球质量瘤的发现引发了关于其起源的大量推测和辩论。它还重新燃起了人们探索月球月海的兴趣，许多研究人员认为月球月海在科学上不太可能像月球的其他区域那样有价值。质量瘤是否代表撞击月球随后被掩埋和破碎的巨大铁小行星的残余物，还是由其他机制形成的？
大多数月球研究者赞成后一种可能性。辩论的焦点是该机制可能是什么。已经提出了几种机制：用熔岩填充低密度、破碎的月球地壳；熔岩流入撞击坑；密度较大的物质从月球深处涌入巨大的撞击盆地；甚至沉积在月海中的沉积物，这些沉积物是由后来干涸的流水造成的。最后一个假设包含了一个有趣的含义，即水不仅曾经在月球上存在，而且还在月球历史中发挥了重要作用。无论如何，由于质量瘤现象，月球样本的分析变得更加重要。“阿波罗11号”样本的初步测量得出的一个令人兴奋的结果是，其密度为每立方厘米 3.2 至 3.4 克，这对地球岩石来说很高，可能与质量瘤的存在有关。
探索地点
美国国家航空航天局目前的计划是在未来三到四年内对月球进行九次载人探测。前几次的地点可能会根据与“阿波罗11号”任务生效的约束条件相似的约束条件来确定，即着陆点必须在面向地球的月球一侧，以便地球和着陆队之间可以保持持续的无线电通信；该地点必须位于没有障碍物的区域；并且可以从自由返回轨道进入，这意味着如果指挥舱中的主引擎发生故障，宇航员将能够以最小的动力返回地球。这些限制将接下来的几次着陆限制在月球赤道附近的月海地点。
之后，应该可以进一步向外探索，在其他具有特殊科学意义的地点或附近着陆。目前正在讨论许多可能的着陆地点。我们不会一一描述，而是重点介绍我们认为能为解读月球历史提供重要线索的四个候选地点和一个长途跋涉区域。我们讨论这些地点的顺序不应被赋予任何特殊意义。
第一个地点是小型、极新的陨石坑刻普勒陨石坑（Censorinus）。在这里着陆预计可以实现三个目标：确定月球表面上明显非常年轻的地貌的年龄；调查和描述一个无可置疑的撞击地貌；以及从高地地区获取物质样本。另一个可供选择的地点是莫斯汀C陨石坑（Mosting C），它也提供了类似的可能性。
第二个地点代表了更为雄心勃勃的目标，即探索一个主要的陨石坑。这样的陨石坑就是哥白尼陨石坑（Copernicus），它直径约70公里，内部有突出的中央峰。这个相对年轻的陨石坑的喷射物覆盖了月球正面十分之一以上的面积。陨石坑内的地形起伏超过15000英尺[4572米]，堪比地球上最山峦起伏的地区。另一个具有非常相似特征的地点是第谷陨石坑（Tycho）。这些大型陨石坑之所以令人感兴趣，不仅因为它们代表了月球历史上的重大事件，还因为，通过与小得多的地球陨石坑类比，它们应该会暴露来自深达10公里甚至更深的物质。有人认为，这些陨石坑的中央峰可能由现在位于地表的物质组成，而这些物质来自10至15公里甚至更深的深度。因此，即使陨石坑中的物质可能因冲击过程而变得杂乱无章、破碎和变形，它也应该提供月球外层几公里的多样化样本，并为解释其历史奠定基础。
第三，我们指出非常有趣的马利厄斯丘陵（Marius Hills）地区。这是少数几个构造特征（如穹丘和堆积圆锥）比同等大小的陨石坑多的区域之一。该区域还与最长的月球山脊系统之一相关联，该山脊系统横跨月球西半部的风暴洋（Oceanus Procellarum）的广阔区域。该区域的构造环境与冰岛和亚速尔群岛等地球火山区相似。马利厄斯丘陵地区的背景和结构表明，这是一个火山活动区域，岩浆物质通过喷口被添加到地表。
理解月球表面演化的重要性在于马利厄斯丘陵地区看似火山特征的起源和年龄。与地球的整个历史相比，地球火山特征的形成时间很短。即使是构成夏威夷群岛的广泛区域，也只代表了不到7000万年的时间。马利厄斯丘陵穹丘形成的绝对年龄和所用时间对于描述月球火山活动将具有重要意义。
马利厄斯丘陵地区范围太广，单次载人登月任务无法覆盖。幸运的是，在几个直径不超过70公里的区域中，可以访问许多较小规模的特征。前往这样一个区域的任务将能够对一些海拔50至100米的、具有凸形斜坡的小穹丘；具有粗糙复杂表面的陡坡穹丘；光滑且通常对称的陡凸或球根状穹丘；山顶有线性凹陷的陡坡圆锥；狭窄陡峭的山脊以及各种撞击特征进行采样和研究。
第四个候选地点是亚平宁山脉（Apennine Mountains）地区，它大致构成了雨海（Mare Imbrium）的东南边界，也是由雨海、澄海（Mare Serenitatis）的西南边界以及暑湾（Sinus Aestuum）北部构成的一个三角形高地区域的西北腿。亚平宁山脉是月球上最令人印象深刻的山脉之一。亚平宁前沿从西侧相邻的月海水平面上升4800米。
通过访问这个地区，可以了解关于月球的哪些信息？亚平宁前沿是月球的一个主要物理特征，暴露了一个数千米厚的延伸垂直剖面，可供采样和检查。这里有机会评估可能很长的月球历史时期。岩石在形态、物理和化学上是否是异质的？它们的年龄有多大？它们是分层的吗？这些问题的答案可能会对我们理解月球历史产生深远的影响。
已经在亚平宁前沿附近提出了两个着陆点，它们距离重要的月球特征不超过5公里。其中一个特征是被称为哈德利月溪（Rima Hadley）的峡谷状构造。它是地表流通道还是塌陷的熔岩管？如果它是像推测的那样由水形成的，那么水从哪里来？又是什么阻止了它立即蒸发？
哈德利月溪的意义
仔细观察月球轨道器的哈德利月溪照片可以发现，沿着它的墙壁可以看到新鲜的岩石暴露，并且有石块从墙壁上掉到了月溪的底部。哈德利月溪切割到月海的底部，从而揭示了一个主要月球特征的深度，或许还可以看到它的历史横截面。因此，它可能为以下问题提供答案：月海是熔岩或火山灰流的层状沉积物，是包含连续形成历史的沉积物，还是仅仅是从太空中吸积的冷颗粒物质的聚集体。
拟议的着陆点位于高地和月海的边界，这为另一个有前景的调查提供了机会。部署一个多轴地震仪，并记录来自不同方向的地震波，应该可以揭示月海和高地之间任何深层结构差异。因此，人们可能会回答月海和高地是否类似于地球上的海洋和大陆，它们显示出主要的结构差异。
长途跋涉
在早期在各种月球地点进行固定站着陆之后，有必要进行某种形式的远程移动表面探测，以克服人类徒步的局限性。答案在于车辆跋涉，这将使人们有可能研究月球上的跨国变化，从而形成在着陆点附近可以进行的密集观测与从轨道上可以进行的广泛平均观测之间的桥梁。目前特别引起人们兴趣的技术称为双模式月球表面漫游车系统。双模式一词指的是车辆可以在宇航员在月球表面工作时由他们使用，并且可以在他们离开后从地球上远程操作。目前的计划需要两次单独的月球着陆，两次着陆点相距500公里，目的是最大限度地从无人自动跋涉中返回信息。
这样的操作将按如下方式进行。在第一次着陆的表面活动接近尾声时，宇航员将启动他们的无人驾驶车辆进行自动跋涉。该车辆将在地球的引导下，穿过月球移动到第二个着陆区内的远处地点。在它开始旅程几个月后，参加第二次着陆的宇航员将在那里与该车辆会合。在跋涉过程中，该车辆将收集岩石样本、传输电视图像并进行地球物理实验，从而产生将通过遥测传输到地球的数据。在宇航员在第二个地点取回岩石后，他们可以在探索该地点时使用该车辆。如果车辆仍然处于令人满意的状态，他们可以开始另一次长途跋涉。
典型的跋涉可能从哈德利月溪进入雨海，然后再进入澄海。沿途，它将提供重力、磁场和电场以及地表层深度的连续变化剖面。这次特殊的跋涉跨越了最大的质量瘤区域之一，并且将覆盖足够的地面以利用地球物理技术充分探索该现象。
沿跋涉路线对重力的连续监测将提供有关月球区域地壳均衡的信息，即较高地形特征是否通过其下方的质量不足进行补偿，或者它们是否代表地表上的负荷。对这个问题的回答将充分说明这些特征的形成机制。重力信息还将提供有关密度变化的更大深度的线索。如果月球有一个类似于地球的地壳，那么它在哈德利月溪附近的月球高地与雨海盆地的中心之间有何变化？
如果可以将重力测量与地震信息结合起来，则重力测量的价值会增加。地震测量有望解决月球底层中任何分层的细节。在我们一直描述的跋涉路线上，一项正确执行的地震实验将很快揭示埋藏在质量瘤中的巨型铁小行星的存在。
改进的能力
我们所讨论的任务的完成意味着对阿波罗11号任务中已经展现出的相当大的能力进行了相当大的改进。我们将列举我们认为到1972年可以预期的一些改进，尽管我们应该指出这些估计有些不确定。目前的能力是任务持续10.8天，总共在月球上花费22个小时；到1972年，应该可以进行16天的任务，在月球上花费78个小时。运送到地表的科学仪器有效载荷应从300磅增加到600磅，而返回地球的具有科学意义的物质数量应从150磅增加到300磅。现在的着陆仅限于赤道带，将来可能在月球正面大部分区域实现着陆，并且可能在目标区域的0.5公里内而不是像现在那样在10公里内着陆。对于月球舱外的宇航员来说，在月球上的步行半径应该从100米增加到4公里，而单次舱外活动期间覆盖的总距离应该从500米增加到几公里。宇航员在月球表面活动时所佩戴的生命支持包的容量可能会比现在的4800英国热量单位增加多达50％。也有可能的是，指挥舱在绕月球运行时能够发射一颗子卫星，从而进行额外的测量。
当单独考虑时，这些新能力似乎触手可及。不可能拥有所有这些能力，因为其中一些能力是互斥的。例如，如果决定在月球上着陆600磅的科学仪器有效载荷，那么可能无法为宇航员配备穿越月球表面10公里的能力。
看起来，宇航员很快就能使用恒容宇航服了。目前的可变容积宇航服会迫使宇航员对抗宇航服做大量的功。而且，宇航员也不能弯腰或弯曲脚踝。恒容宇航服在执行相同任务时，所需做的功将减少约 30%，因为几乎不需要对抗宇航服做功。这种宇航服在腰部和脚踝处也更灵活。有了这种宇航服，宇航员在月球表面的活动能力应该会大大提高。
即便如此，除非宇航员的活动能力超过步行，否则我们讨论过的几个地点都无法得到充分的探索。事实上，活动半径应该在着陆点周围约 30 公里。显然，需要一辆交通工具。有两种方法可行：交通工具可以以每小时几英里的速度在月球表面爬行，也可以在低空飞越月球表面。地面交通工具的优点是让乘员能够停下来观察有趣的物体，而火箭动力的飞行平台则可以让人快速地从一个主要兴趣点移动到另一个主要兴趣点。飞行交通工具还可以垂直移动，这在某些月球地点会非常有利。虽然飞行和爬行的交通工具都有明显的优点，但两者都很昂贵，很可能只会开发一种能力。
鉴于着陆队最多只能在着陆点附近探索 10 到 100 平方公里的区域，目前计划的九次额外着陆将仅覆盖月球正面约一万分之一的区域。为了更全面地了解月球表面，包括背面，并寻找着陆点遗漏的特征类型，NASA 计划使用安装在服务舱中的仪器从轨道上进行遥感。传感器将在第六次着陆左右开始投入使用。
轨道传感仪器
正在考虑使用八种类型的仪器进行遥感活动。测量从月球表面发射出的伽马射线、X 射线和阿尔法粒子的光谱仪将能够检测到几种元素。伽马射线仪器可以确定月球表面顶部一英尺内的铁、钾、钍和铀的含量。X 射线仪器将接收太阳激发并在极薄的表面层中产生的辐射，并提供有关硅、镁和铝等主要元素浓度信息。阿尔法仪器将揭示月球内部是否有大量氡气泄漏，这通常伴随着地球上的火山或温泉活动。红外辐射计将测量来自表面的红外辐射，从而能够找到热点和火山活动。气体质谱仪将测量服务舱周围原子的数量和类型，从而确定月球轨道高度上极少量气体的密度和成分。电磁探测器将从月球反射无线电波脉冲（10 千赫兹至 100 兆赫兹）并测量反射回来的量，从而了解地下分层，并确定是否存在化学分异，甚至可能存在冰层。度量相机将拍摄大部分月球的几何控制良好的照片，以确定月球的椭圆度以及月海中心是否低于边缘。激光高度计将从月球表面反射光束以精确测量高度；这些测量值与轨道数据和度量相机的信息相结合，将有助于确定月球的形状。
这种广泛的覆盖范围将与宇航员在地面上对小区域进行的详细覆盖范围很好地结合起来。每次着陆都将为轨道实验提供一个标准，通过详细测量仪器应该从轨道上看到的东西。然后，轨道仪器将比仅通过载人着陆获得更广泛的表面特征覆盖范围。
实现我们所描述的目标仍然会为月球探索留下几个激动人心的前沿领域。其中包括访问东方海、极地区域和月球背面。这些访问将需要开发新的技术。
长期目标 在月球轨道飞行器照片中发现的巨大“靶心”特征东方海，位于从地球上看月球的远西边缘。它是一个保存完好、同心分层的特征，可能是由巨型陨石撞击形成的。该特征为探索提供了无与伦比的挑战，但也为着陆带来了巨大的操作困难。环绕东方海盆地形成直径约 960 公里的圆形外崖的科迪勒拉山脉，是月球上最庞大的山脉之一，比邻近地形高出约 18,000 英尺。也许这个地点是月球上所有可能地点中，研究月球演化和历史的最佳机会。
极地着陆是一个特别令人着迷的前景。靠近两极的区域处于永久阴影中，因此人们可能会希望在那里发现冻结的氨、二氧化碳、水和类似的挥发性物质，否则这些物质早就从月球逃逸了。